Регуляция нуклеосомной структуры
У высших эукариот нуклеосомы участвуют в регуляции транскрипции. In vitro присутствие нуклеосом подавляет инициацию, но не элонгацию транскрипции. Показано, что формирование нуклеосомы в области TATA-бокса препятствует присоединению фактора транскрипции TFIID и формированию инициирующего комплекса. В то же время присоединение TFIID препятствует формированию нуклеосомы в области TFIID ( Grunstein, 1990 ; Elgin, 1990 ).
В связи с этим возникает вопрос - не связано ли фазирование нуклеосом дрожжей с регуляцией транскрипции. При обсуждении следует помнить, что хроматин дрожжей находится в открытой, транскрипционно компетентной конформации.
Ряд исследователей изучал транскрипцию генов дрожжей в условиях, нарушающих нуклеосомную организацию, изменяя дозу гистоновых генов. Был сконструирован ген гистона H4 под промотором GAL1 . Транскрипция этого гена происходила только на галактозе. На глюкозе большинство нуклеосом отсутствовало, при этом происходила экспрессия ряда генов - PHO5, CYC1, GAL1, и даже без UAS ( Han et al., 1988 ; Han, Grunstein, 1988 ). Вместе с тем нарушение нуклеосомной организации не оказывало влияния на транскрипцию многих других генов ( Kim et al., 1988 ).
Исследование промоторов дрожжей показало, что есть гены, у которых не происходит изменения нуклеосомной организации при активации транскрипции. Так, например, в промоторе гена LEU2 TATA-бокс находятся в линкерных участках между нуклеосомами. Эти сайты остаются чувствительными к нуклеазам, независимо от того, репрессирован ген или депрессирован ( Martinez-Garcia et al., 1989 ). В этом и подобных ему случаях активация, очевидно, не зависит от нуклеосомной организации. Выявлены гены с изменяющейся при индукции нуклеосомной структурой промоторов. Это промотор PHO5 , промотор PHO5 , промотор GAL1 , у которых показана экспрессия при дисбалансе гистонов и TDH3 .
Транскрипция PHO5 ( кислая фосфатаза ) подавлена в присутствии неорганического фосфата. В этих условиях TATA-элемент и одна из двух UAS скрыты нуклеосомами. В условиях дерепрессия из промотора исчезают четыре нуклеосомы и открывается вторая UAS и TATA-элемент ( Almer et al., 1986 ).
Сходная картина наблюдается в промоторе TDH3 ( глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа , где при любых условиях (как и в случае PHO5) имеется небольшой участок, сверхчувствительный к действию микрококковых нуклеаз, - свободный от нуклеосом ( Pavlovic, Horz, 1988 ). В присутствии транскрипционного активатора GCR1p экспрессия TDH3 уменьшается до 5%-ного уровня по отношению к дикому типу. Очевидно, GCR1p препятствует формированию нуклеосом в промоторе (в том числе и в области TATA) и обеспечивает нормальный уровень транскрипции.
Изучение транскрипции GAL1-GAL10 показало, что при выращивании на глюкозе, в условиях полной репрессии, почти весь промотор GAL1-GAL10 покрыт нуклеосомами, действию микрококковой нуклеазы доступна только UASg . При выращивании на этаноле или глицерине к промотору присоединяется GRF2p , что приводит к появлению района, свободного от нуклеосом и, в том числе, к освобождению TATA-элемента. В этих условиях к UASg присоединяется транскрипционный активатор GAL14p , который активируется при появлении в среде галактозы ( Chasman et al., 1990 ; Fedor, Kornberg, 1989 ; Fedor et al., 1988 ).
Таким образом, в тех случаях, когда нуклеосомная организация регулирует экспрессию гена, это происходит за счет блокирования TATA-бокса. Активация представляет собой двухступенчатый процесс - вначале подъем транскрипции до базального уровня, затем до максимального. Высвобождение TATA-бокса связано с действием специальных белков типа GRF2p , которые ,возможно, облегчают связывание транскрипционного активатора с UAS . В свою очередь, транскрипционный активатор способствует освобождению TATA-бокса от нуклеосом и формированию инициирующего комплекса. Это обеспечивает базальный уровень транскрипции. В присутствии эффектора транскрипционный активатор модифицирует и полностью активизирует инициирующий комплекс, что приводит к максимальному уровню экспрессии.
Нуклеосомный механизм регуляции характерен для генов с сильной активацией в присутствии эффекторов. Для большинства генов метаболизма дрожжей характерен постоянно высокий уровень транскрипции независимо от внешних условий. Именно для этих генов не удается выявить изменение структуры хроматина при индукции. Следовательно, можно предположить, что рассмотренный выше механизм репрессии необходим для подавления базального уровня транскрипции.
Наличие белков типа GRF2p, являющихся слабыми транскрипционными активаторами, связывание которых с промотором приводит к изменению нуклеосомной структуры, свидетельствует о сыществовании общей системы регуляции. Белок GRF2p связывается не только с GAL1-GAL10, но и с многими другими промоторами ( Chasman et al., 1990 ).
Выявлено еще несколько генов ( SPT , CCR , CRE ), регулирующих нуклеосомную организацию промоторов, при изучении транскрипции генов, содержащих в промоторах Ty-элементы, а также генов, необходимых для усвоения неферментируемых источников углерода.
Как оказалось, SPT11 и SPT12 кодируют гистоны H2A и H2B , a SPT15 - TFIID , CRE2 аллелен SPT6 , a CRE1 - SPT10 . Предположительно, CCR4 , CRE-SPT - относятся к системе регуляции на уровне нуклеосомной организации хроматина ( Denis, Malvar, 1990 ).
